Helium

Helium
Tecken He Atomnr. 2 Grupp 18 Period 1 Block s
Allmänt
Ämnesklass	ädelgaser
Densitet	0,1785 kg/m3 (273 K)
Utseende	I gasform färglös
Atomens egenskaper
Atommassa	4,002602 u
Atomradie (beräknad)	inga data (31) pm
Kovalent radie	32 pm
van der Waalsradie	140 pm
Elektronkonfiguration	1s2
e– per skal	2
Oxidationstillstånd (O)	0 (okänd)
Kristallstruktur	Hexagonal
Ämnets fysiska egenskaper
Aggregationstillstånd	gas
Magnetiska egenskaper	icke magnetisk
Smältpunkt	0,95 K (−272 °C)
Kokpunkt	4,22 K (-269 °C)
Molvolym	21,0 m3/mol
Ångbildningsvärme	0,0845 kJ/mol
Smältvärme	5,23 kJ/mol
Ljudhastighet	970 m/s vid 293,15 K
Diverse
Värmekapacitet	5 193 J/(kg·K)
Värmeledningsförmåga	0,152 W/(m·K)
1a jonisationspotential	2372,3 kJ/mol
2a jonisationspotential	5250,5 kJ/mol
Stabilaste isotoper
Isotop F % Halv.tid Typ Energi (MeV) Prod. 3He 0,000137 % 3He, stabil isotop med 1 neutron 4He 99,999863 % 4He, stabil isotop med 2 neutroner 6He syntetisk 806,7 ms β- 3,508 6Li
SI-enheter & STP används om ej annat angivits.

Helium är grundämne nummer två i det periodiska systemet, en färglös och luktlös ädelgas. Helium har den lägsta kokpunkten av alla grundämnen, och endast vid högt tryck kan helium fås att övergå i fast form. I naturen förekommer helium som obundna atomer som inte reagerar alls med andra ämnen. På grund av att heliumatomerna är så små och på grund av deras ovilja att reagera med andra atomer, har helium lätt för att långsamt sippra ut ur lagringsbehållare.

Den radioaktiva alfastrålningen (α-strålning) består av elektronlösa ⁴He-kärnor som vid atomsönderfallet bryts loss från den radioaktiva atomkärnan. α-strålning kan lätt skärmas av på grund av kärnornas elektriska laddning.

Historia

1868 upptäckte fransmannen Pierre Janssen spektrallinjer i solens spektrum, som inte tillhörde något känt atomslag, varför engelsmannen Norman Lockyer antog att de kom från ett hittills okänt grundämne som sedan han och den engelske astronomen Edward Frankland kallade helium (efter grekiska ἥλιος [hêlios] - Solen). År 1895 framställde den engelske kemisten William Ramsay helium genom att lösa ett uranhaltigt mineral i syra, vilket identifierades av Lockyer och Frankland som helium och samma år detekterade den tyske fysikern Heinrich Kayser spektrallinjer från helium i en ädelgasblandning framställd ur luft. Samma år framställde engelsmannen N.A. Langley och oberoende de svenska kemisterna Per Teodor Cleve och Abraham Langlet helium med exakt samma metod.

Helium var den sista av gaserna som man lyckades överföra i vätskeform. Det såg till och med ut som om helium kanske var den enda egentliga gasen, det vill säga okondenserbar till skillnad från ångor enligt gammal definition. Genom att utnyttja den temperatursänkning som erhålls när en komprimerad gas utvecklar arbete i en detander(dekompressor) lyckades holländaren Heike Kamerlingh Onnes år 1908 få helium att undan för undan, med hjälp av välkonstruerade värmeväxlare kallna alltmer och till slut kondensera. Just detta renderade honom 1913 års nobelpris.

Med kokande helium som köldmedium kunde exempelvis metallernas resistivitet vid mycket låga temperaturer studeras. Av speciellt intresse var förstås dåtidens resistansnormal kvicksilver (som via destillation enkelt kunde renas i varje laboratorium som behövde en noggrann normal för exempelvis elektrisk spänning). Kamerlingh Onnes fann år 1911 att resistiviteten hos just kvicksilver vid 4,2 K, det vill säga helt nära heliums kokpunkt vid normalt atmosfärstryck, försvann på ett abrupt och helt oväntat sätt (se supraledning).

Framställning

Helium framställs ur heliumrik naturgas som främst finns i USA. Man framställer det genom fraktionerad destillation av naturgasen. Heliumet har troligen bildats genom alfastrålning från jordens kärna, alfastrålningen värmer också upp jordens inre kärna så den håller sig flytande. I takt med naturgasens användning som bränsle, utan något som helst avseende vid dess stora värde som råvara för heliumutvinning, går världens heliumtillgångar i snabb takt förlorade. USA:s heliumreserv beräknas exempelvis ta slut före år 2016.

Användning och risker

Ett glasrör fyllt med helium där man för en elektrisk ström igenom

Det berömda fenomenet Kalle Anka-röst, som människor får när de inhalerar det ogiftiga heliumet, beror på att ljudets hastighet är högre i helium än i luft. Inandning av en tyngre ädelgas, som xenon, skulle ha motsatt effekt på rösten, men prova aldrig detta då xenon är bedövande. Inandning av rent helium bör aldrig ske på grund av att syremättningen i blodet sjunker blixtsnabbt och det är stor risk för att man förlorar medvetandet, och det finns risk för att man dör eller får hjärnskador av syrebrist.

Helium används bland annat för gasballonger, som ersättare för vätgas, som medför eldfara och explosionsrisk i motsats till helium, och kväve vid dykning (för att minska kvävenarkosen), i belysningsteknik och i metallurgi för att hindra oönskade kemiska reaktioner.

Helium är det näst vanligaste ämnet i universum, endast väte är vanligare. Det nybildas genom fusion av väte i solen och andra stjärnor, men en stor andel av universums helium tros ha bildats vid Big Bang.

Isotopen ⁴He i vätskeform blir supraflytande vid temperaturen 2,17 K (-271,0 °C), vilket bland annat innebär att viskositeten sjunker kraftigt, och vätskan beter sig mycket egendomligt, bland annat rinner den uppför kanter på kärl och attraheras mot värmekällor.

Helium används som förpackningsgas i livsmedel och har E-nummer E 939. Används även inom svetsindustrin eftersom det är en inert gas (det vill säga den brinner inte, och skyddar, om den utledes över svetsskarven, syrets i luften skadliga oxidering på smältan). Vanligt använt inom metallisk laserskärning.

Helium har i luft (jordens atmosfär) en lyftkraft på ca 0,0108996108 N/liter eller 0,00110994 kg/liter. Det innebär att en människa på 80 kg behöver ca 72100 heliumballonger, med volymen 1 liter styck, för att lyfta från marken.

Säkerhet

Neutralt helium vid normala förhållanden är inte giftig, spelar ingen biologisk roll och hittas i mycket små mängder i människans blod. Om tillräckligt mycket helium andas in, kan syret som behövs för normal andning ersättas, och kvävning kan inträffa. Säkerhetsfrågorna för helium med en låg temperatur liknar dem för flytande kväve. Dess extremt låga temperatur kan resultera i köldskador, vilka blir allvarligare med sprej än vid kontakt med vätska. I det senare fallet bildas ett så kallat Leidenfrost-skikt mot huden, som tillfälligt hindrar direktkontakten. Vidare kan omvandlingen från vätska till gas orsaka explosioner, om inte någon tryckkammare är installerad.

Containrar med helium i gasform vid runt -265 °C ska hanteras som om de innehöll flytande helium, på grund av den snabba och betydande värmeutvidgningen som uppstår, när helium i gasform under -265 °C värms till rumstemperatur.

Se även

• Periodiska systemet
• Stjärna